A38: broj koji ne postoji!

Iz neobjavljenog broja Astronomije objavljujemo:

Elegantni kosmos

Poglavlje 7

Šta je „super" u superstrunama?

Kada je potvrđen uspeh Edingtonove ekspedicije iz 1919. godine, organizovane da bi se izmerilo Ajnštajnovo predviđanje skretanja svetlosti zvezda u blizini Sunca, holandski fizičar Hendrik Lorenc poslao je Ajnštajnu telegram s dobrim vestima. Kako se glas o telegramu s potvrdom opšte teorije relativnosti proneo, jedan student je upitao Ajnštajna šta bi mislio da Edingtonov eksperiment nije potvrdio predviđeno skretanje svetlosti zvezda. Ajnštajn je odgovorio: „Onda bi mi bilo žao Boga jer teorija jeste tačna." Naravno, da su eksperimenti omanuli u dokazivanju Ajnštajnovih predviđanja, teorija ne bi bila dobra i opšta teorija relativnosti ne bi postala stub moderne fizike. Ali Ajnštajn je mislio da opšta teorija relativnosti opisuje gravitaciju s takvom prefinjenošću i tako jednostavnim a moćnim idejama da mu je bilo gotovo nepojmljivo kako bi je priroda mogla „odbaciti". Opšta teorija relativnosti u Ajnštajnovim je očima previše lepa da bi bila netačna.

Estetska prosuđivanja ne utiču na fizički diskurs. Na kraju krajeva, teorije se procenjuju prema tome šta se događa kada se suoče s hladnim, tvrdim eksperimentalnim činjenicama. Ali, ova poslednja napomena mora se pažljivo proveriti. Dok se teorija razvija, usled njene nepotpunosti često nije moguće proveriti njene najsuptilnije eksperimentalne posledice. I pored toga, fizičari moraju donositi odluke i vežbati da procene kuda treba usmeriti istraživanje delimično gotove teorije. Neke od tih odluka diktira unutrašnja logička konsistentnost - nesumnjivo ćemo zahtevati da svaka razumna teorija izbegava logičke apsurde. Pri donošenju drugih odluka bitan je osećaj za kvalitativne eksperimentalne implikacije jedne teorijske konstrukcije u odnosu na drugu. U načelu, ne zanima nas teorija koja nema kapaciteta da liči na nešto sa čime se susrećemo u svetu oko nas. Svakako da su neke odluke teorijskih fizičara zasnovane na osećaju za estetiku - osećaju s kojim se u strukturama teorija pronalazi prefinjenost i lepota uporediva sa onom što je susrećemo u svetu koji doživljavamo. Naravno, ništa ne garantuje da ova strategija vodi istini. Možda je sama srž kosmosa manje elegantne strukture nego što nas je naše iskustvo navelo da poverujemo ili ćemo možda otkriti da je naše estetske kriterijume potrebno znatno doterati kada se primenjuju u manje poznatim kontekstima. Pa ipak, naročito kada ulazimo u doba u kome naše teorije opisuju područja kosmosa koja je sve teže eksperimentalno ispitati, fizičari se oslanjaju na takvu estetiku kako bi izbegli slepe ulice u kojima bi se inače mogli naći. Takav pristup je do sada bio moćan i pronicljiv vodič.

U fizici, kao i u umetnosti, simetrija je suštinski deo estetike. Ali, u fizici je drugačije nego u umetnosti jer simetrija ima vrlo konkretno i precizno značenje. Zapravo, marljivim praćenjem tih preciznih ideja o simetriji do njihovih matematičkih zaključaka, fizičari su tokom poslednjih nekoliko decenija otkrili teorije u kojima su čestice materije i interakcija mnogo više prepletene nego što je iko pre toga mislio da je moguće. Takve teorije, koje ujedinjuju ne samo sile prirode već i materijalne konstituente, najsimetričnije su i zbog toga se nazivaju supersimetrične. Teorija superstruna je, kao što ćemo videti, i praotac i vrhunski primer supersimetričnog modela.

Priroda fizičkog zakona

Zamislite kosmos u kome se zakoni fizike smenjuju kao modni ukusi - menjaju se iz godine u godinu, iz nedelje u nedelju ili čak iz trenutka u trenutak. Pod pretpostavkom da promene ne ometaju osnovne životne procese, u takvom svetu blago rečeno nikada vam ne bi ni na časak bilo dosadno. I najjednostavniji poslovi bili bi avantura jer bi vas, kao i sve druge, slučajne varijacije sprečile da, prema prethodnom iskustvu, predvidite išta što bi se moglo dogoditi u budućnosti.

Takav kosmos je noćna mora za fizičare. Oni se, a gotovo i svi drugi, čvrsto oslanjaju na stabilnost kosmosa: zakoni koji su važili juče važe danas a važiće i sutra (čak i ako nismo bili dovoljno pametni da ih sve otkrijemo). Pored svega, kako nešto može biti zakon ako se u trenu može promeniti? To ne znači da je kosmos statičan - on se iz trenutka u trenutak menja na mnoštvo načina - već znači da su zakoni koji upravljaju tom evolucijom fiksni i nepromenljivi. Možete se pitati jesmo li sigurni u prethodnu tvrdnju. I nismo. Budući da smo uspešno opisali brojna svojstva svemira, od prvih trenutaka nakon Velikog praska do sadašnjosti, uvereni smo da se zakoni menjaju vrlo sporo, ako se menjaju. Najjednostavnija pretpostavka konsistentna sa svime što znamo glasi: zakoni su nepromenljivi.

Sada zamislite kosmos u kome su zakoni fizike lokalne prirode, kao lokalna kultura - menjaju se nepredvidivo od mesta do mesta i prkosno odbijaju da se prilagode bilo kakvom spoljašnjem uticaju. Kao Gulivera, putovanja u takvom svetu izložila bi vas enormno bogatom skupu nepredvidivih iskustava. Ali sa stajališta fizičara to je još jedna noćna mora. Dovoljno je teško, na primer, živeti s činjenicom da zakoni koji važe u jednoj državi - ili jednom gradu - ne važe u drugoj. Zamislite šta bi bilo da su zakoni prirode tako promenljivi. U takvom svetu, eksperimenti izvedeni na jednom lokalitetu ne bi uopšte bili važni pri potvrđivanju fizičkih zakona koji su relevantni negde drugde. Fizičari bi morali da ponavljaju eksperimente na različitim mestima kako bi ispitali lokalne zakone prirode. Na sreću, sve što znamo ukazuje na to da su zakoni fizike svugde isti. Svi eksperimenti na svetu konvergiraju ka istom skupu temeljnih fizičkih objašnjenja. Štaviše, zbog toga što možemo objasniti ogroman broj astrofizičkih opservacija udaljenih delova kosmosa koristeći fiksni skup fizičkih principa, uvereni smo da svugde važe isti zakoni. Kako nismo putovali na suprotan kraj kosmosa, ne možemo zasigurno isključiti mogućnost da negde drugde važi neka posve druga fizika, ali sve ukazuje na suprotno.

Opet, to ne znači da kosmos izgleda isto - ili ima ista detaljna svojstva - na različitim lokacijama. Astronaut koji skače skočkom na Mesecu, može tamo uraditi mnoge stvari koje na Zemlji ne može. Ali znamo da razlika u mogućnostima nastaje zbog toga što je masa Meseca znatno manja od mase Zemlje. To ne znači da se zakon gravitacije menja od mesta do mesta. Njutnov - da budemo precizniji, Ajnštajnov - zakon gravitacije isti je i na Zemlji i na Mesecu. Razlika u astronautovom iskustvu nastaje usled promena u detaljima okruženja, a ne promene fizičkog zakona.

Ova dva svojstva fizičkih zakona - da ne zavise od toga kada i gde se primenjuju - fizičari nazivaju simetrije prirode. Oni pod tim misle da priroda svaki trenutak vremena i svaku lokaciju u prostoru „tretira" na isti način - simetrično - tako što obezbeđuje da deluju isti fundamentalni zakoni. Te simetrije ispunjavaju silnim zadovoljstvom, kao kad ih opazimo u likovnoj i muzičkoj umetnosti. One ističu red i koherenciju u mehanici prirode. Prefinjenost bogatih, složenih i različitih fenomena koja proističe iz jednostavnog skupa univerzalnih zakona, bar je unekoliko deo onoga na šta fizičari misle kada upotrebe pridev „lepo".

U raspravi o specijalnoj i opštoj teoriji relativnosti naišli smo na još jednu simetriju prirode. Prisetite se da nam princip relativnosti, koji leži u srcu specijalne teorije relativnosti, govori kako svi fizički zakoni moraju biti isti, bez obzira na relativno kretanje konstantnom brzinom koje mogu iskusiti pojedinačni posmatrači. To je simetrija zato što znači da se priroda na isti način - simetrično - odnosi prema svim takvim posmatračima. Svi oni su u pravu kada zaključe da miruju. Opet, opažanja posmatrača koji se kreću relativno u odnosu na druge neće biti ista. Kao što smo ranije videli, postoji mnogo iznenađujućih razlika u njihovim opažanjima. Poput različitih iskustava skakača na Mesecu i na Zemlji, razlike u opažanjima odražavaju detalje okoline - kretanje posmatrača je relativno - iako njihovim opažanjima upravljaju isti zakoni.

Ajnštajn je znatno proširio tu simetriju kroz princip ekvivalentnosti u opštoj teoriji relativnosti, tako što je pokazao da su zakoni fizike zapravo identični za sve posmatrače, čak i ako se ubrzano kreću. Prisetite se da je Ajnštajn to postigao kad je shvatio da je i posmatrač koji se ubrzano kreće takođe savršeno u pravu kada izjavi da je u stanju mirovanja i kada tvrdi da je sila koju oseća posledica gravitacionog polja. Kada model obuhvati gravitaciju, svi aspekti opažanja postaju ravnopravni. Osim što smo uočili svojstvenu estetsku privlačnost ovog tretmana po kome su sva kretanja ravnopravna, videli smo da su ti principi simetrije najbitniji u Ajnštajnovim čudesnim zaključcima o gravitaciji.

Postoje li i neki drugi principi simetrije koji se tiču prostora, vremena i kretanja koje bi zakoni prirode trebalo da poštuju? Ako razmislite o ovome, mogli biste doći do još jedne mogućnosti. Za zakone fizike ne bi trebalo da je bitan ugao posmatranja. Na primer, ako izvedete neki eksperiment, zatim odlučite da rotirate celu aparaturu i ponovite eksperiment, trebalo bi da važe isti zakoni. To je poznato kao rotaciona simetrija i znači da zakoni fizike tretiraju sve moguće orijentacije na isti način. Taj princip simetričnosti ravnopravan je s prethodnima koje smo razmatrali.

Postoje li i drugi? Jesmo li prevideli neku simetriju? Mogli biste navesti da postoje kalibracione simetrije povezane s negravitacionim silama o kojima smo raspravljali u poglavlju 5. To su sigurno simetrije prirode ali apstraktnije vrste. Ovde smo pažnju usmerili na simetrije koje su direktno povezane s prostorom, vremenom ili kretanjem. Kada smo postavili ovaj uslov, verovatno više ne možete zamisliti nijednu drugu mogućnost. Godine 1967, fizičari Sidni Kolman i Džefri Mandula dokazali su kako se nijedna druga simetrija povezana s prostorom, vremenom ili kretanjem ne može kombinovati sa ovima koje smo upravo opisali da bi se dobila teorija imalo slična onoj o našem svetu.

Kasnije su brojni fizičari detaljnije ispitivali ovu teoremu i otkrivena je mala rupa. U Kolmanovom i Mandulinom dokazu nisu potpuno iskorišćene simetrije osetljive na spin.

 

Svo o ovoj knjizi